MIT teadlased on leidnud viisi, kuidas Casimiri jõud tõukuvaks muuta, mis pakub lahendust mikromasinate osade teineteise külge kleepumise vältimiseks.
1948. aastal avastatud Casimiri jõud on olemuselt keerukad kvantjõud, mis mõjutavad ainult teineteisele väga lähedal olevate objektide puhul. Nad on niivõrd väiksed, et insenerid on neid saanud viimase 60 aasta jooksul saanud ignoreerida. Paraku on elektromehaaniliste seadmate aina väiksemaks muutumise tõttu Casimiri jõust saanud tõeline tülitekitaja. Nimelt põhjustab jõud mikromasinate detailide teineteise külge kleepumist.
Kuigi Casimiri jõud on suuremates mastaapides välistatavad, põhjustavad nad näiteks pildil oleva süsteemi puhul hammasrataste teineteise külge kleepumist. Foto·: Sandia rahvuslik laboratoorium
MIT uurijad on välja arendanud meetodi, kuidas Casimiri jõu efekte täpselt arvutada, kasutades selleks nii baasfüüsikat kui ka mikromehaaniliste süsteemide (MEMS) disainimist. Ühe kõrvalmõjuna sillutas meetod tee ka Casimiri füüsika Püha Graalini – süsteemi loomiseni, mis tekitab tõukuva Casimiri jõu. Kui aga insenerid suudavad disainida MEMS-sse, mis pigem tõukuvad kui tõmbuvad, siis vähendaks see olemasolevate MEMS-ide ülesütlemis protsenti.
Kvantfüüsika on maalinud univerumist äärmiselt veidra ning värvikireva pildi. Isegi vaakum ei ole täiesti tühi, vaid selles keeb pidev elu – erinevad haruldased subatomatomaarsed osakesed kõiguvad eksistentsi ja olematuse piirimail. Näiteks Suure Hadronite Põrgutis abil tekitada loodetava Higgsi bosoni eluiga on pelgalt paariks sekstiljondlikuk (10x-21) sekundiks.
Harilikult on vaakumis osakesi nii palju, et nende poolt eritatavad mõjud nullivad üksteist ära. Seega saab nende mõju tavalistes eskperimentides ja rakendustes ignoreerida. Mugavat välistamist ei saa aga kasutusele võtta olukordades, kus objektid teineteisele väga lähedal on. Kuna osakesi mahub sinna tunduvalt vähem, ei pruugi ka osakeste mõjud üksteist kustutada
ning rõhkude erinevuse tõttu hakatakse objekte teineteise poole tõmbama.
Füüsikutel õnnestus 1960. aastateks lõpuks leida matemaatiline valem, kuidas teoreetiliselt saaks Casimiri jõudu ükskõik milliste objektide paari puhul kirjeldada. Siiski jäi enamikel juhtudel valem taandamis võimaluste puudumiste tõttu niivõrd keeruliseks, et seda oli võimatult keeruline lahendada. “Inimesed arvavad, et kui sul on valem, siis saad sa seda hinnata. Tegelikult ei vasta see üldse tõele. Kunagi kirjutas Einstein valemi gravitatsiooni kirjeldamise jaoks, aga nad ei tea ikka veel, mis selle valemiga kõik kaasneb,” ütles Steven Johnson, matemaatika professor, kes osales uute matemaatiliste tööriistade loomises.
Aastaid oli Casimiri valem gravitatsiooniga samas paadis. Füüsikud oskasid seda lahendada vaid piiratud juhtudel nagu näiteks kahe parallelse plaadi puhul. Läbimurre saabus 2006. aastal, mil MIT professor Mehran Kardar näitas kuidas lahendada valemit plaadi ning silindri paari korral.
Sellel nädalal ajakirjas Proceedings of the National Academy of Sciences ilmuvas artiklis kirjeldab Johnson koos doktorantide Alexander McCauley ja Alejandro Rodriguez’ega, kuidas lahendada Casimiri jõu võrrandit ükskõik millise kuju korral ning ükskõik mitme objekti korral
Uurijad näitavad oma töös, et Casimiri jõude saab 100 nanomeetri võrra lahus olevate objektide korral kirjeldada 100 000 suuremate ning 100 000 korda teineteisest kaugemal olevate elektritjuhtivasse vedelikku uputatud kehade abil. Selle asemel, et arvutada imetillukeste pidevalt kaduvate ning tekkivate vahelise jõude, saab arvutada hoopis erinevates punktides elektromagnetvälja tugevust. Oma artiklis tõestavad nad, et need arvutused on matemaatiliselt võrdsed. Kuigi ka elektromagnetvälja tugevuse arvutused on veidra kujuga objektide puhul keeruline, on see praeguse inseneriteaduse poolt pakutavate tarkvara kahendustega võimalik.
“Analüütiliselt on Casimiri jõu kohta käivaid täpseid arvutusi võimatu teha, välja arvatud mõningate geomeetriate korral. Ent MIT teadlaste poolt pakutava tehnikaga saad sa põhimõtteliselt seda täpselt ükskõik millise geomeetria korral teha,” ütles Diego Dalvit, Casimiri jõu spetsialist Los Alamoses.
Kuna Casimiri jõud põhjustab MEMS-idel liikuvate osade kokkukleepumist, pakub uus tehnika ka sellele lahendusi. Märtsis avaldas Harvardi ülikooli füüsik Michael Levin koos MIT teadlastega artikli, mis kirjeldab esimest materjalide paigutust, mis tekitab vaakumis tõukuva Casimiri jõu.
Siiski arvab Dalvit, et füüsikud peavad uut tehnikat kasutades kasutama ka intuitsiooni, et luua kasulike omadustega väikeste objektidega süsteemi. “Kui sul ühel hetkel saab selgeks, millised geomeetriad põhjustavad tõukumist, saad sa uue tehnika abil teada, kas tegu on tõukumisega või mitte,” ütles Dalvit. Tööriistad ise ei oska tõukumist põhjustavaid geomeetriaid leida.
Allikas:
MIT, Larry Hardesty·: “Mysterious quantum forces unraveled.”